1 全國(guó)大學(xué)生過(guò)程裝備 實(shí)踐與創(chuàng)新大賽 課 題 蚯蚓式管道機(jī)器人 學(xué) 校 華 東 理 工 大 學(xué) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 李 志 超 導(dǎo) 師 安 琦 日期： 2006 年 5 月 22 日 2 蚯蚓式管道機(jī)器人 摘要 ： 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)和天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來(lái)越多。當(dāng)這些管道出現(xiàn)問(wèn)題或需要定期維護(hù)的時(shí)候，要花費(fèi)大量的人力和物力及財(cái)力。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 和管道檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展以及相互之間的滲透程度越來(lái)越大，管道機(jī)器人擔(dān)當(dāng)了這個(gè)任務(wù)。本設(shè)計(jì)的蚯蚓式管道機(jī)器人利用了蚯蚓的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)結(jié)合電子技術(shù)、控制及檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道的清潔和泄露檢測(cè)。設(shè)計(jì)思想新穎，制造簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的任務(wù)。 關(guān)鍵詞： 管道 機(jī)器人 清潔 檢測(cè) 3 目錄 第一章 設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)方案的選擇 4 1 1 設(shè)計(jì)背景 4 1 2 設(shè)計(jì)方案的選擇 5 1 2 1 前后筒體的驅(qū)動(dòng)選擇 5 1 2 2 輪子或支撐腳的選擇 6 1 2 3 總體方案的擬訂 7 第二章 裝 配圖零件圖的設(shè)計(jì) 8 2 1 零件圖的設(shè)計(jì) 8 2 1 1 前后筒體的零件圖及設(shè)計(jì) 8 2 1 2 中間筒體的零件圖及設(shè)計(jì) 8 2 1 3 齒輪的設(shè)計(jì)及參數(shù) 10 2 1 4 齒條的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 11 2 1 5 平板的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 11 2 1 6 凸輪的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 11 2 1 7 中間帶孔圓柱體的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 12 2 1 8 前 /后筒體的輔助圓柱體的設(shè)計(jì) 12 2 2 輔助件的選擇 12 2 2 1 滾珠的選擇 12 2 2 2 螺栓的選擇 13 2 2 3 螺母的選擇 13 2 2 4 彈簧墊圈的選擇 13 2 2 5 輔助支撐桿的選擇 13 2 2 6 支撐桿的選擇 13 2 2 7 半球殼以及滾球的選擇 13 2 2 8 膠球的選擇 13 2 3 總裝配圖的實(shí)現(xiàn) 14 2 3 1 總裝配圖的效果圖 14 2 3 2 總裝配圖的二維圖 14 第三章 蚯蚓式 管道機(jī)器人的工作原理 15 第四章 控制單元的描述 16 第五章 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn) 17 第六章 設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)和不足 18 4 第一章 設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)方案的選擇 1 1 設(shè)計(jì)背景 隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的 提高，空調(diào)和天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來(lái)越多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道， 例如天然氣管道 、 石油管道等 ， 在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。 當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問(wèn)題時(shí) ， 人們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率。 隨著人民生活水平的提高和國(guó)家國(guó)力的增強(qiáng)，中央空調(diào)的使用率在逐年的攀升，而中央空調(diào)的清潔問(wèn)題變得越來(lái)越重要。在中央空調(diào)使用過(guò)程中，由于時(shí)間的問(wèn)題在其內(nèi)壁會(huì)堆積很多的灰塵 。由于中央空調(diào)的管道比較大，在里面可能有死老鼠或是一 些大的堆積物。如果不定時(shí)的清洗和維護(hù)，隨著中央空調(diào)帶進(jìn)很多的病菌，使得室內(nèi)的空氣質(zhì)量下降，危害人們的身體健康。 隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來(lái)越深，人們制造出各種各樣的管道機(jī)器人來(lái)進(jìn)行對(duì)各種管道的維 修、維護(hù)和檢測(cè)。管道機(jī)器人可以進(jìn)入人們無(wú)法進(jìn)入的管道中，完成一定的規(guī)定任務(wù)如檢測(cè)管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護(hù)管道時(shí)挖開道路，或是對(duì)空調(diào)等完全拆卸開，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。 目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在 管道中的移動(dòng)，這樣有很多的缺點(diǎn)。例如目前的管道機(jī)器人都是為了專門的管道而設(shè)計(jì)的，通用性不好，舉個(gè)例子，當(dāng)輪式或是履帶式的管道機(jī)器人在有一定的液體的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，使機(jī)器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務(wù)。 還有就是這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應(yīng)有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機(jī)器人的工作范圍。 結(jié)合目前管道機(jī)器人所存在的缺點(diǎn)，應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出了蚯蚓式管道機(jī)器人。此機(jī)器人利用了蚯蚓爬行的 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在管道中的運(yùn)動(dòng)，完成規(guī)定的任務(wù)?？刂坪?jiǎn)單，制造成本低，難度低，運(yùn)行穩(wěn)定。 5 1 2 設(shè)計(jì)方案的選擇 設(shè)計(jì)方案是根據(jù)蚯蚓的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和身體結(jié)構(gòu)而確定的。蚯蚓是環(huán)節(jié)動(dòng)物 ，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn) ， 蚯蚓式管道機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)確定了： 由三個(gè)圓柱筒體組成，中間的筒體比兩邊的筒體大，兩邊的筒體相同。 蚯蚓的運(yùn)動(dòng)是靠在其體內(nèi)的橫肌和縱肌的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn) ，在蚯蚓的體表有很多細(xì)細(xì)但是很堅(jiān)硬的剛毛，配合橫肌、縱肌的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蚯蚓向前和向后運(yùn)動(dòng)。根據(jù)蚯蚓的運(yùn)動(dòng)方式，擬訂以下具體的方案并進(jìn)行比較，取得最佳的方案。 1 2 1 前后筒體的驅(qū)動(dòng)選擇 方 案 1： 前后筒體的驅(qū)動(dòng)選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如下圖： 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有急回特性，使蚯蚓式管道機(jī)器人的速度很難控制，并且不能實(shí)現(xiàn)它的勻速運(yùn)動(dòng)。而且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)占用的空間很大，不利于機(jī)器人向小型化發(fā)展。 方案 2： 前后筒體的驅(qū)動(dòng)選擇齒輪齒條，如下圖： 齒輪齒條機(jī)構(gòu)相對(duì)其他的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)最大的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)剛度等條件容易達(dá)到規(guī)定的要求。成本也較低，只需要簡(jiǎn)單的嚙合就能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求，而且占用的 空間小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。 綜合以上的方案評(píng)價(jià)和比較和各類因素，選擇 方案 2 的齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為前后筒體的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)。 1 2 2 輪子或支撐腳的選擇 6 方案 1： 前后筒體的 的支撐采用棘輪機(jī)構(gòu)和輪子。 如下圖： 當(dāng)采用這個(gè)方案時(shí)，使用棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪子的單方向的運(yùn)轉(zhuǎn)，在圓柱形管道中爬行時(shí)，需要 中心檢測(cè)模塊來(lái)維持機(jī)器人的平衡，增加了一個(gè)檢測(cè)模塊同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)難度。 采用這個(gè)方案不能實(shí)現(xiàn)蚯蚓式管道機(jī)器人在管道中兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，只能朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，一條路走到黑了。 如果在管道內(nèi)有液體，則輪子很 容易滑動(dòng)，機(jī)器人會(huì)卡死在管道里邊。當(dāng)輪式管道機(jī)器人在有一定的液體的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，使機(jī)器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務(wù)。還有就是采用輪式的設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應(yīng)有液體的管道。 方案 2： 前后筒體的支撐運(yùn)動(dòng)采用六個(gè)撐腳、 彈簧、輔助 圓柱體 、可換球 （一系列球）、 步進(jìn)電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)。如下圖： 采用方案 2 可以克服輪式在管道中行走的缺點(diǎn)，由于蚯蚓 式管道機(jī)器人在管道的定 7 位和固定是靠六個(gè)撐腳的交替運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。凸輪可以使支撐腳以一定的壓力壓在管道內(nèi)壁上，即使管道中有液體，完全不影響蚯蚓式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 只要支撐腳能夠以一定的壓力產(chǎn)生摩擦力克服重力所帶來(lái)的下滑，則通過(guò)這個(gè)機(jī)構(gòu)可以使蚯蚓式管道機(jī)器人在傾斜或是垂直的管道中來(lái)去自如。通過(guò)這個(gè)機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)蚯蚓式管道機(jī)器人在管道中前進(jìn)和后退。 綜合以上的方案和評(píng)價(jià)，選擇方案 2 作為蚯蚓式管道機(jī)器人的支撐腳，配合前后筒體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)。 1 2 3 總體方案擬訂 綜 合 1.2.1 前后筒體的驅(qū)動(dòng)選擇和 1.2.2 輪子或支撐 腳的選用，特確定了如下的傳動(dòng)方案： 8 第二章 裝配圖的設(shè)計(jì) 2 1 零件圖的設(shè)計(jì) 蚯蚓式 管道機(jī)器人由前后筒體、 中間筒體、 齒條、彈簧、可換球 、凸輪、輔助圓柱體、輔助支撐腳等組成。以下逐個(gè)說(shuō)明各個(gè)零件的參數(shù)， 以及在設(shè)計(jì)中所考慮到的問(wèn)題，并畫出它們的二維圖。 2 1 1 前 /后筒體的 零件圖及 設(shè)計(jì) 零件圖如下： 前后筒體采用的材料是 45 鋼。在其右邊有一個(gè) 1mm 深的槽，是用來(lái)與滾珠裝配的。 中間的三個(gè)螺紋空是用來(lái)裝配輔助圓柱體的。這里的壁厚選用的是 6mm，當(dāng)壁厚如果小于 5mm 的時(shí)候，在進(jìn)行鉆孔的時(shí)候筒體由于剛度不足容易發(fā)生變形，故選用壁厚 6mm。 在筒體的周圍鉆了三個(gè) 螺紋 孔，相互之間的角度是 120 度。選擇 120 度是考慮這個(gè)角度是使得前 /后筒體的受力是均勻的，并且能使蚯蚓式管道機(jī)器人在管道中穩(wěn)定的定位，三個(gè)支撐腳發(fā)揮著相同的作用。如果選擇四個(gè)腳，則容易使其中一個(gè)支撐腳不能發(fā)揮作用或是不利于機(jī) 器人在管道中穩(wěn)定定位，使機(jī)器人對(duì)中性精度下降。如果選擇兩個(gè)腳，則蚯蚓式管道機(jī)器人在管道中 也 不能得到穩(wěn)定的定位 。 而螺紋孔的大小是綜合考慮了支撐桿的強(qiáng)度和剛度的要求所設(shè)計(jì)的，當(dāng)支撐桿的直徑小于 4mm 時(shí)，在承受一定的壓力時(shí)容易發(fā)生彎曲甚至發(fā)生斷裂。于是選擇支撐桿的直徑為 4mm，考慮到裝配的原因最后選擇孔的大小為 16mm。 2 1 2 中間筒體的零件圖及設(shè)計(jì) 中間的圓柱體考慮到在里面要安裝電動(dòng)機(jī)和減速裝置，故將其制造成兩分式的，方便安裝電動(dòng)機(jī)和減速裝置。 中間筒體的零件圖如下： 1下圓柱體的零件圖如下： 9 2上圓柱體的零件圖如下： 這里的上下筒體的設(shè)計(jì)考慮到了以下的幾個(gè)問(wèn)題： 1） 裝配。由于在中間筒體內(nèi)部要安裝電動(dòng)機(jī)和減速裝置、齒輪等，故將其做成是兩分式的，方便安裝。 2） 穩(wěn)定。由于這個(gè)蚯蚓式管道機(jī)器人的主要的結(jié)構(gòu)是由前后筒體和中間的筒體組成，而且安裝在前后筒體上的六個(gè) 支撐腳是交替的伸出和收縮的，如果不安裝輔助支撐腳的話，則會(huì)使機(jī)器人發(fā)生向前傾斜，使機(jī)器人卡住。故考慮在中間筒體的下圓柱體上增加螺紋孔，用來(lái)安裝輔助支撐腳。以下是對(duì)有無(wú)輔助支撐腳的兩種情況的對(duì)比： 圖示是無(wú)輔助支撐腳 的受力簡(jiǎn)圖： 10 圖示是有 輔助 支撐腳的受力簡(jiǎn)圖： 通過(guò)兩個(gè)受力簡(jiǎn)圖的對(duì)比可知 ，增加了輔助支撐腳增加了蚯蚓式管道機(jī)器人的穩(wěn)定性 3） 在筒體上的滾珠的設(shè)計(jì)。滾珠的作用會(huì)在后面的齒輪齒條的設(shè)計(jì)中說(shuō)明。 4） 壁厚的設(shè)計(jì)也是考慮到了實(shí)際的加工，當(dāng)壁厚如果小于 5mm 的時(shí)候，在進(jìn)行鉆孔的時(shí)候筒體由于剛度不足容易發(fā)生變形，故選用壁厚 6.5mm。 2 1 3 齒輪的 設(shè) 計(jì)及參數(shù)選擇 蚯蚓式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，齒輪 起到的作用有兩個(gè)： 1.傳遞運(yùn)動(dòng)。 2.與中間筒體上的滾珠、輔助支撐腳共同維持前后筒體的穩(wěn)定，當(dāng)前 /后支撐腳收縮時(shí)，前 /后筒體不會(huì)由于自身的重力作用而發(fā)生向下傾斜的趨勢(shì)。 齒輪的零件圖如下圖： 由于蚯蚓式管道機(jī)器人的功率小、重量輕，所以一般的齒輪材料就能滿足設(shè)計(jì)的要求和強(qiáng)度剛度的要求，齒輪材料選擇 45 鋼或是塑料，幾何參數(shù)參見齒輪的零件圖。齒數(shù)選擇為 30，齒輪的模數(shù)選擇為 1，壓力角 20 度，齒輪的精度等級(jí)選用 9 級(jí)精度，齒輪的轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速裝置提供，調(diào)整過(guò)后的齒輪的轉(zhuǎn)速為 10r/min。 由于機(jī)器人的功率小，轉(zhuǎn)速低，所以不需要對(duì) 齒輪 進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的校核。 11 2 1 4 齒條的 設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 齒條的零件圖如下： 齒條的結(jié)構(gòu)可以采用和齒輪相同的材料。 齒條的有齒部分長(zhǎng)度是 50mm,齒高是2.25mm。 齒條上的溝槽的設(shè)計(jì)是為了防止前 /后筒體在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，配合滾珠的使用，可以防止當(dāng)前 /后支撐腳收縮時(shí)造成的傾斜。 2 1 5 平板的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 平板的平面圖如下圖所示： 平板的材料采用的是 Q235，蚯蚓式機(jī)器人采用了四塊這樣的平板，在這些平板上面可以制造出小的凸臺(tái) 和凹槽 ，便于在裝配的時(shí)候保證裝配的精度。 2 1 6 凸輪的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 凸輪的平面圖如右圖所示： 凸輪的厚度是 5mm，材料為 45 鋼。 12 2 1 7 中間帶孔圓柱體的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 中間帶孔圓柱體的平面圖如下圖所示： 圓柱體 的 螺紋是普通螺紋，螺紋的深度是 1mm，材料是 Q235。 2 1 8 前 /后筒體的輔助圓柱體的設(shè)計(jì) 輔 助圓柱體的平面圖如下圖所示： 輔助圓柱體的螺紋是普通螺紋，螺紋的深度是 1mm，材料是 Q235。 2 2 輔助件的選擇 2 3 3 滾珠的選擇 選擇 滾珠的材料 是 GCr15，直徑是 3mm。 滾珠的設(shè)計(jì)可以減少齒條與中間筒體內(nèi)壁的摩擦，節(jié)省電源的功率。 13 2 3 4 螺栓的選擇 螺栓的 型號(hào) 是 GB/T 5783 M4 28，蚯蚓式管道機(jī)器人總計(jì) 使用 螺栓是 8 個(gè)。 2 3 5 螺母的選擇 螺母的 型號(hào) 是 GB/T 6170 M4,蚯蚓式管道機(jī)器人總計(jì)使用 螺母 8 個(gè)。 2 3 6 彈簧墊圈的選擇 彈簧墊圈的 型號(hào) 是 GB/T 96 M4，蚯蚓式管道機(jī)器人總計(jì)使用 墊圈 8 個(gè)。 2 3 7 輔助支撐桿的選擇 輔助支撐桿是長(zhǎng)度為 16mm，直徑為 4mm 的鐵絲。經(jīng)過(guò)加工處理成如下圖所示的形狀： 蚯蚓式管道機(jī)器人中使用了 2 根。 2 3 8 支撐桿的選擇 支撐桿是長(zhǎng)度為 52mm，直徑為 4mm 的鐵絲。經(jīng)過(guò)加工處理成如下圖所示的形狀： 圖中所添加的凸起是用來(lái)固定彈簧的，靈感來(lái)自于圓珠筆的結(jié)構(gòu)。 蚯蚓式管道機(jī)器人中使用了 6 根。支撐桿的螺紋長(zhǎng)度是 10mm。 2 3 9 半球殼以及滾球的選擇 半球殼的直徑為 10mm，壁厚為 1mm，材料是 Q235，在裝配的時(shí)候，與輔助支撐桿固定在一起的。滾球的直徑是 8mm，與半球殼裝配在一起。蚯蚓式管道機(jī)器人使用半球殼和滾球各 2 對(duì)。 2 3 10 膠球的選擇 膠球的直徑可以制造成一系列的，以適應(yīng)不同的管徑的需要。 材料的選擇可以根據(jù)管道中的環(huán)境而定。 14 2 4 總裝配圖的實(shí)現(xiàn) 2 4 1 總裝配圖的效果圖 2 4 2 裝配圖的二維圖 15 第三章 蚯蚓式管道機(jī)器人的工作原理 蚯蚓式管道 機(jī)器人是結(jié)合蚯蚓的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，綜合運(yùn)用電子技術(shù)、控制原理、機(jī)械設(shè) 計(jì)及機(jī)械原理等知識(shí)設(shè)計(jì)完成的。 主要用途是拍攝管道中的情況，可以擴(kuò)展成具有很多功能的管道機(jī)器人。 蚯蚓的運(yùn)動(dòng)是靠在其體內(nèi)的橫肌和縱肌的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在蚯蚓的體表有很多細(xì)細(xì)但是很堅(jiān)硬的剛毛，配合橫肌、縱肌的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蚯蚓向前和向后運(yùn)動(dòng)。 蚯蚓式管道機(jī)器人體內(nèi)的齒輪和齒條相當(dāng)于蚯蚓的“橫肌”，而前后筒體和中間筒體則相當(dāng)于蚯蚓的“環(huán)節(jié)身體”。前后的六個(gè)支撐腳與蚯蚓體表的剛毛作用相同。以下介紹蚯蚓式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程： 圖 1 如 圖 1 所示，由于安裝在內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)通過(guò)減速裝置帶動(dòng)齒輪和齒條的運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)前 后筒體以及中間筒體的收縮和伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。 圖 2 如圖 2所示，當(dāng)齒輪和齒條處在圖 1的位置時(shí)，中間的電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn) ，前后筒體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn) 60 度， 則其前筒體的三個(gè)支撐腳要通過(guò) 凸輪 以一定的壓力支撐在管壁上，后筒體的三個(gè)支撐腳要 收縮，然后中間的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，等收縮到極限位置時(shí)，中間的電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)60 度，則前筒體 收縮，后筒體通過(guò)凸輪以一定的壓力支撐在管壁上，然后中間的電機(jī)在以向相反的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器人伸長(zhǎng)，以后無(wú)限重復(fù)此過(guò)程，直至電池電量耗盡 ，或是人工控制它的停止和返回。 蚯蚓式管道機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在管道中的前進(jìn)和后退，其后退過(guò)程的實(shí)現(xiàn)只是將 前進(jìn)過(guò)程的前后兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步調(diào)調(diào)整一下即可。 前后筒體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)和中間的電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，是由單片機(jī)來(lái)控制的。由 于蚯蚓式管道機(jī)器人的空間有限，可以將單片機(jī)和控制單元放置在 外面，通過(guò)電纜傳輸 信息，完成指定的任務(wù)。蚯蚓式管道機(jī)器人的行走速度為 25.13mm/s。 16 第四章 控制單元的描述 前后筒體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)和中間筒體的正反轉(zhuǎn)，是通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的。為 了減小蚯蚓式管道機(jī)器人的體積，將控制模塊放置在機(jī)器人的體外，通過(guò)電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)信 息的傳輸。 要實(shí)現(xiàn)蚯蚓式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，單片機(jī)所做的事情有： 1 控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)。 2 控制中間電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 3 通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)中間電機(jī)和兩邊的步進(jìn)電機(jī)的交替運(yùn)動(dòng)。 4 通過(guò)攝像頭拍攝管道中的情況，反饋到顯示器。 5 當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，使管道機(jī)器人自動(dòng)返回。 控制單元的 軟件 設(shè)計(jì)要包括步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖 電流的控制、中間電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、攝像頭的轉(zhuǎn)角的控制、成像裝置的控制。 蚯蚓式管道機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)及中間正反轉(zhuǎn)控制程序框圖： 程序中攝像頭的轉(zhuǎn)角和成像裝置的控制是蚯蚓式管道機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中一直工作的，所以可以讓這些裝置處于一直運(yùn)行的狀態(tài)，直至停止。 由于本人的知識(shí)不夠，這里未列出控制單元的硬件設(shè)計(jì)圖和相關(guān)的軟件程序的編制，會(huì)盡快學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，完成控制單元的設(shè)計(jì)。 17 第五章 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn) 本設(shè)計(jì)依據(jù)仿生學(xué)原理中的結(jié)構(gòu)仿生原理，通過(guò)研究蚯蚓的肌體的構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置，通過(guò)結(jié)構(gòu)相似實(shí)現(xiàn)功能相近。 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制造簡(jiǎn)單、 制造成本低，容易實(shí)現(xiàn)，克服了目前管道機(jī)器人存在的一些缺點(diǎn)和問(wèn)題，比如為傾斜和有液體的管道中行走的問(wèn)題，提供了解決的方案。 此機(jī)器人在管道中可以輕松的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退 ，能夠在傾斜的甚至是垂直的管道中運(yùn)動(dòng) 。 控制單元的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，完全可以通